Разработка порошковой проволоки для сварки вертикальных стыковых соединений низколегированных сталей с принудительным формированием швов Котельчук, Александр Сергеевич

Введение к работе

Диссертационная работа посвящена разработке самозащитной порошко-юй проволоки для сварки вертикальных стыковых соединений низколегирован-шх сталей с принудительным формированием швов, которая обеспечивает сданный уровень механических свойств металла шва и эффективную защиту «сплавленного металла от воздуха при низком выходе шлака.

Актуальность темы. Изготовление листовых конструкций из низколегиро-іанньїх сталей с использованием сварки на вертикальной плоскости широко ірименяется в судостроении, при сооружении мостовых переходов, резервуаров [ля хранения нефтепродуктов и других промышленных объектов. Использова-гие механизированной сварки порошковой проволокой с принудительным фор-шрованием швов при изготовлении таких конструкций позволяет повысить фоизводительность труда и снизить влияние субъективных факторов на каче-тво сварных соединений. При сварке самозащитными порошковыми проволо-ами существующих марок возникает необходимость периодически приоста-іавливать процесс для сливания излишка шлака, что приводит к неурегулиро-анности процесса и снижению механических свойств сварных соединений из-а появления дефектов по причине недостаточной защиты расплавленного іеталла. Опубликованные в научной литературе сведения о закономерностях бразования газошлаковой защиты относятся преимущественно к сварке со сво-одным формированием. Данные же о влиянии состава сердечника на струк-уру и свойства однопроходных швов относительно большого сечения, которые арактерны для электродуговой сварки с пршг/дительным формированием, до-ольно ограничены. Поэтому возникла научно-техническая задача разработки амозащитной порошковой проволоки с низким выходом шлака, которая бы беспечивала эффективную защиту расплавленного металла в условиях прину-ительного формирования. Для ее решения необходимо было исследовать про-есс образования защитной среды и найти оптимальную систему легирования ля получения заданных показателей свойств металла шва соединений низколе-іровашшх сталей с пределом текучести до 490 МПа.

. Исследования, выполненные для решения этой научно-технической за-ачи, послужили основой диссертационной работы. Они проводились в рамках эсударственных программ Министерства Украины по делам науки и :хнологии 4.5/03367 "Разработать ресурсо- и энергосберегающие сварочные атериалы нового поколения специального назначения", 4.4/533 "Исследования :рмохимических реакций в дисперсных смесях материалов при высокой сорости нагревания" и планов исследований Национальной академии наук краины.

Цель работы. Создать порошковую проволоку для автоматизированной іарки низколегированных C-Mn-Si конструкционных сталей на вертикальной юскости с принудительным формированием швов, при использовании кото-)й не возникает излишка шлака в процессе сварки, и которая обеспечивает ювень свойств металла однопроходных швов соответственно типу ПС-49

А2ВП по стандарту ГОСТ 26271, в частности, уровень предела текучести не ме нее 490 МПа и ударной вязкости не менее 35 Дж/см² при -20 С без термообра ботки соединений.

Для достижения этой цели необходимо было решить такие задачи:

Изучить кинетику реакций образования газошлаковой защиты расплавлен ного металла и возможности снижения содержания азота и водорода в металл швов при автоматической сварке самозащитной порошковой проволокой с при нудительным формированием шва;

Разработать концепцию построения газошлакообразующей части сердечник порошковой проволоки и экспериментально исследовать связь состава сердеч пика с показателями технологической надежности и механических свойст сварных соединений;

Исследовать закономерности влияния легирующих элементов и скорости ох лаждения на формирование структурных составляющих металла однопрохо^ ного шва и показатели механических свойств соединений;

Разработать самозащитную порошковую проволоку для автоматизированно сварки с принудительным формированием шва листовых металлоконструкци из низколегированных сталей на вертикальной плоскости, которая обеспечивае заданный уровень свойств и отвечает типу ПС-49 А2ВП по стандарту ГОС 26271.

Личный вклад соискателя. Диссертация является итогом результати экспериментальных исследований, выполненных автором лично. При непе средствешюм участии автора предложен и реализован метод расчетного прс гнозирования развития термохимических реакций с образованием газовой фазі для условий сварки порошковой проволокой; исследовано влияние композиції сердечника проволоки на стабильность защиты зоны плавления; предложен компьютерная реализация модели формирования микроструктуры металл низколегированного шва при его охлаждении в процессе сварки; проведен экспериментальные исследования и статистическая обработка электрически сигналов показателей режима дуговой сварки порошковыми проволокамі Выполнена разработка композиции самозащитнои порошковой проволоки дл сварки с принудительным формированием шва на вертикальной плоскості получены результаты ее испытаний при сварке листовых конструкцій подтверждающие соответствие свойств проволоки поставленным требования* Анализ и обобщение полученных результатов проводились автором как личн< так и с участием других соавторов.

Научная новизна. Разработан экспериментально-расчетный метод прс гнозирования степени развития реакций газообразования в условиях сварки, к< торый базируется на определении кинетических параметров термохимически реакций газообразования из веществ и их смесей при нагревании с ішзкой сю ростью (до 30 С/мин.) и последующим расчетом степени развития этг реакций для условий сварки. С использованием этого метода определен

оптимальные параметры образования защитной среды при термодеструкции карбонатов, фторидов и их смесей.

Определен состав сердечника проволоки с выходом шлака 4 ... 6 % (мае.) на базе использования смеси карбонатов, фторидов и оксидов, для которой характерно равномерное генерирование защитных газов в широком диапазоне температур от 400 до 1500 С, и которая обеспечивает создание надежной защиты расплавленного металла от воздуха.

Разработаны метод и программное обеспечение для численного моделирования формирования микроструктуры однопроходного шва при скоростях охлаждения, которые характерны для сварки порошковой проволокой. Этот метод базируется на фундаментальных термодинамических и кинетических закономерностях фазовых превращений в низколегированных сталях, начиная со стадии распада аустенита, и учитывает особенности диффузии углерода в металле разных фаз. Выявлены условия формирования пластичных составляющих микроструктуры типа игольчатого феррита, которые позволяют повысить ударную вязкость металла шва системы низкого легирования C-Mn-Si-Ni-Mo. Установлены оптимальные пределы легирования металла шва через сердечник проволоки (в мае. %): С ~ 0,06... 0,08; Mn ~ 1,1 ... 1,2; Si ~ 0,35 ... 0,45; Ni ~ 0,7 ... 0,9; Mo ~ 0,3 ... 0,4 для получения требуемых показателен механических свойств металла однопроходных швов для условий сварки, которые отвечают времени охлаждения металла шва от 800 до 500 С в пределах от 5 до 40 с.

Практическое значение полученных результатов. Разработан состав самозащитной порошковой проволоки для сварки с принудительным формиро-занием швов типа ПС-49 А2ВП по стандарту ГОСТ 26271 без необходимости іериодически сливать избыточный шлак присварке.

Разработаны рекомендации по сварке стыковых соединений листовых неталлоконструкций из сталей 09Г2, 09Г2С, 14Г2, 10ХСНД для получения ;войств сварных соединений соответственно существующим требованиям.

Основные научные положения, которые выносятся на запщту:

1. Результаты расчетов и экспериментальных исследований реакций газо-)бразования при термической деструкции карбонатов и фторидов и их смесей іри нагревании сердечника порошковых проволок разного состава и принцип юстроешія защиты расплавленного металла от воздуха при сварке с принуди-ельным формированием шва.

2. Метод численного исследования микроструктуры металла однопроходного шва, при помощи которого возможно спрогнозировать соотношение бъемных долей аллотриоморфного зернограничного, игольчатого и Видман-итеттового ферритов в микроструктуре низколегированного металла в зависите от химического состава и технологических условий сварки (скорости хлаждения).

3. Система легирования металла шва, которая обеспечивает предел теку-ести металла шва не менее 490 МПа и ударную вязкость не менее 35 Дж/см² ри -20 С.

4. Композиция самозащитной порошковой проволоки для сварки с принудительным формированием шва на вертикальной плоскости листовых металлоконструкций из углеродистых и низколегированных сталей.

Апробация результатов работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на П-й Конференции молодых ученых и специалистов НТК "ИЭС им. Е. О. Патона" (Киев, 1988 г.), Международной конференции "Сварка в экстремальных условиях" ("Welding under Extreme Conditions") (Хельсинки, Финляндия, 1989 г.), Х-й Всесоюзной конференции пс сварочным материалам (Краснодар, 1990 г.), 2-м Международном семинаре "Числовой анализ свариваемости" ("Numeric Analysis of Weldability") (Грац. Австрия, 1993 г.), Международном семинаре "Сварка в судостроении и строительстве" ("SchweiBen in Scliiff- und Metallbau") (Росток, Германия. 1995 г.), 1-й Международной конференции по сварочным материалам стран СНГ (Краснодар, 1998 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами по каждой главе, общих выводов, списка использованной литературы и приложений.^Работа содержит 182 страницы, в том числє 140 страниц машинописного текста, 36 таблиц, 57 рисунков, библиографию и; 165 наименований.